碳化硅元件
　　與 GaN 相比，SiC 擁有超過 15 年的二極管實際制造和應(yīng)用經(jīng)驗以及超過 10 年的晶體管實際制造和應(yīng)用經(jīng)驗。 SiC JFET 和共源共柵構(gòu)成了堅實的技術(shù)，SiC 增強(qiáng)型 MOSFET 得到了英飛凌、Rohm、Microsemi 等重量級公司的支持，SiC IGBT 和 BT 也在開發(fā)中。 SiC 很容易承受高電壓，即使是批產(chǎn)品也被指定為 1200 至 1700 V。毫無疑問，在呈指數(shù)級增長的電動汽車市場中，SiC 擁有非常光明的未來，從長遠(yuǎn)來看，它將取代 Si IGBT。
　  材料特性
　　與硅相比，這些是重要的優(yōu)點：
　　寬帶隙 3.2 與 1.1 eV
　　擊穿場強(qiáng) 2.4 比 0.25 MV/cm 好得多
　　導(dǎo)熱率 3.3 ... 4.9 比 1.5 W/cmK 好得多
　　電子漂移速度 1400 遠(yuǎn)優(yōu)于 950x103 cm2 /Vs 5。 Tj 250 C 更高
　　SiC的特殊性能：
　　千伏范圍內(nèi)的高擊穿電壓和低漏電流。
　　連續(xù)高溫運行可達(dá)約。 250℃。
　　高開關(guān)速度。
　　損耗不隨溫度而增加。

　　傳熱性能優(yōu)良，>3倍于硅。

　　圖 7.2 晶格位移是生產(chǎn)低成本 SiC 半導(dǎo)體困難的原因。如果沒有位移，A' 將位于 A 處。晶格缺陷較多，導(dǎo)致成品率低。
　　嚴(yán)重的生產(chǎn)問題長期阻礙了SiC的引進(jìn)。初，只能生產(chǎn)缺陷率較高的小晶圓。個可用的 SiC 產(chǎn)品——二極管——非常昂貴。時至今日，晶圓與硅晶圓相比仍相當(dāng)小，良率較低，晶圓制造商也只有少數(shù)。的公司是 Cree，該材料也用于其 LED。 Cree 近投入巨資，期望汽車行業(yè)（僅大眾汽車）能帶來大筆業(yè)務(wù)，這肯定會實現(xiàn)?？赡軒啄陜?nèi)SiC就會出現(xiàn)短缺。供應(yīng)有限且價格高昂的原因是什么？主要原因是不良率導(dǎo)致良率低下。圖 7.2 至 7.5 直觀地展示了這些問題。

　　更高的導(dǎo)熱率意味著盡管芯片小得多，但結(jié)和外殼之間的熱阻保持不變。 TO-220 中的部件指定 1.5 度/W，與的 Coolmos 相同。

　　圖 7.4：Si 和 SiC 的帶隙。更高的帶隙允許在 250°C 和千伏的高溫下運行。 SiC 的磁場強(qiáng)度是 Si 的 10 倍。理論上，甚至 > 500 C 的工作溫度也是可能的。

　　圖 7.5：Si 和 SiC 的載流子濃度。除了帶隙之外，這還決定了半導(dǎo)體在什么溫度下仍保持不變。對于 SiC，該溫度 > 1000 C。材料上方僅保留一個電阻。
　　允許的高場強(qiáng)可以將漂移區(qū)減小到 Si 的 1/10，并將其摻雜度提高 10 倍。在相同電壓下，這會將 Rdson 通常降低至 Si 的 1/10。還提到了 1/20 至 1/30 的值。目前，多家公司的增強(qiáng)型 MOSFET 已在 1200 V 電壓下實現(xiàn)了 < 10 mOhms，而這僅僅是一個開始。 JFET 的 Rdson 已經(jīng)遠(yuǎn)低于 10 mOhms。
　　SiC零件的生產(chǎn)更加復(fù)雜、更加昂貴并且需要額外的投資，例如高溫室、高能高溫（>500℃）離子注入設(shè)備。處理熱離子時，不能使用常規(guī)光掩模，因為它們只能承受 < 200 C 的溫度，因此需要更耐用的材料，例如 SiO2。制造這種硬掩模需要更多時間。首先，必須沉積材料，然后必須通過光刻對其進(jìn)行定義，然后必須進(jìn)行蝕刻。下一個困難是大多數(shù)原子進(jìn)入碳化硅的擴(kuò)散系數(shù)相當(dāng)?shù)?，特別是對于鋁、磷和氮等常規(guī)材料。因此，注入過程必須在不同的能量水平下重復(fù)幾次，多十次。
　　除了外延片價格較高（比硅片高2個數(shù)量級）外，其工藝復(fù)雜、耗時長，需要特殊投資。
　　所有消息人士一致預(yù)測，SiC 部件的價格永遠(yuǎn)不會達(dá)到 Si 部件的價格。然而，明智的做法是謹(jǐn)慎對待此類比較，因為 SiC 芯片比同類 Si 芯片小得多。
　　僅比較零件的價格具有誤導(dǎo)性。只有完整的電路才能進(jìn)行比較。 SiC 在高溫、高壓應(yīng)用中表現(xiàn)出色，因此非常適合惡劣的汽車環(huán)境。它明顯優(yōu)于GaN。
　　SiC 將取代 Si IGBT，因為它允許更高的工作頻率和溫度，并且可以節(jié)省電感和電容元件。此外，它比硅部件更加堅固，這是汽車應(yīng)用中的一個重要論點。當(dāng) JFET 和 MOSFET 的 Rdson 如此低時，正在開發(fā)的 SiC IGBT 是否有意義還值得懷疑。在離線 SMPS 中，SiC 的性能可能會優(yōu)于 Si，功率可達(dá)數(shù)百瓦以上。 GaN 是一種低壓材料，其利基小于 100 V。

　　對于所有半導(dǎo)體，不僅材料而且晶體結(jié)構(gòu)對性能都有很大影響。在圖 7.6 所示的約 200 種不同晶體結(jié)構(gòu)中，僅使用了其中幾種，對于 SiC 來說，這是 4HC。

　　圖 7.6：新材料重要基材表。
　　擊穿場強(qiáng)提高了 7 倍，因此除電動汽車外，太陽能和風(fēng)力發(fā)電機(jī)逆變器中的 > 3 KV 組件也可采用 SiC，這些是 3 個重要的增長市場。
　　7.2 碳化硅二極管
　　盡管產(chǎn)量有所提高，但 SiC 晶圓仍然比 Si 晶圓小得多。這就是為什么 > 10 A 的芯片很少可用的原因。由于正 TC，可以通過芯片并聯(lián)連接來處理更高的電流。
　　對于 Si，只有所謂的“純”肖特基二極管只能制成高達(dá) 100 V 的電壓。有 200 V 肖特基二極管，其價值值得懷疑。與硅超快二極管相比，肖特基二極管也有缺點，例如明顯更高的電容和更高的漏電流。放電電流看起來類似于反向恢復(fù)電流。 SiC 肖特基沒有反向恢復(fù)時間，并且它們的損耗不會隨溫度而增加，這也許是它們重要的優(yōu)勢。它們的電容是 GaAs 二極管的 5 倍，但后者從未得到普及。由于其正 TC，它們對過載很敏感，因為損耗會增加。
　mmmSiC 二極管的結(jié)構(gòu)。該二極管由金屬-半導(dǎo)體接觸構(gòu)成，因此是具有已知優(yōu)點的肖特基二極管。然而，正向電壓相當(dāng)高，大多數(shù)二極管是 600 V 型，1.5 V，遵循正向電壓隨阻斷電壓升高的一般規(guī)則。
　　到目前為止主要應(yīng)用是PFC，制造商顯然無法想象其他應(yīng)用。事實上，只要晶體管硬切換到導(dǎo)電二極管上，例如在反激式轉(zhuǎn)換器的次級中，即使標(biāo)準(zhǔn) 600 V 二極管的性能也優(yōu)于 Si 超快二極管。 （參見 Bodo's Power 2009 年 11 月的文章）。即使輸出電壓低至約 25 V，600 V 二極管的性能也優(yōu)于 Si 超快二極管。
　　與許多 GaAs 二極管類似，pn 二極管與 SiC 二極管并聯(lián)集成。 pn 二極管在高電流下開始導(dǎo)通。正向電壓約為 4 V，從而保護(hù)“純”SiC 二極管。
　　7.3 碳化硅功率晶體管
　　多年的二極管生產(chǎn)經(jīng)驗減少了晶圓缺陷，為 SiC 功率晶體管的引入奠定了堅實的基礎(chǔ)。 “天然”晶體管和是 JFET，Semisouth（已解散）等公司以及初的 Infineon 和所有提供共源共柵的公司（例如 USCI）都投票支持 JFET。 Infineon、Rohm、Microsemi 等公司現(xiàn)在更喜歡增強(qiáng)型 MOSFET。 Transic (Fairchild) 是一家生產(chǎn) BT 的公司。此外，IGBT 也在開發(fā)中。電力電子設(shè)計人員必須熟悉 JFET。在開啟之前必須提供負(fù)柵極電源，這限制了 JFET 對于具有輔助電源和共源共柵功能的電源的實用性。
　　在功率應(yīng)用方面，SiC 原則上優(yōu)于 GaN，SiC 晶體管已上市多年。在高壓應(yīng)用中，SiC 輕而易舉地?fù)魯×?GaN：盡管 10 多年前，批 SiC 晶體管的指定電壓為 1200 至 1700 V，但 GaN 一直停留在 650 V；直到近，一家公司才冒險指定 1200 V。問題是無法對其進(jìn)行測試，因為測試具有破壞性。 SiC 的另一個優(yōu)點是垂直結(jié)構(gòu)，而大多數(shù) GaN 晶體管是在 Si 襯底上制造的，因此它們是橫向的。雖然 GaN 晶體管會被單個過壓脈沖損壞，但 SiC MOSFET 有望達(dá)到雪崩額定值。 JFET 共源共柵可以防雪崩
    “純”和第二代 SiC 二極管的特性顯示并聯(lián) pn 二極管接管電流，從而保護(hù)前者。如果沒有保護(hù)，SiC 二極管將因功耗過高而損壞。
　　7.3.1 SiC JFET。盡管采用 SiC 和 GaN 的晶體管的自然類型是 JFET，但很難在電源中使用，因為 JFET 是耗盡型晶體管，即在柵極電壓為 0 V 時完全導(dǎo)通。在電源開啟時，它會出現(xiàn)短路，因此它只能在共源共柵中使用，其中標(biāo)準(zhǔn) Si MOSFET 確保開啟時的高阻抗。結(jié)合共源共柵的其他優(yōu)點（例如非?？斓拈_關(guān)和低輸入電容），USCI 制造的這些共源共柵是的選擇。很難理解為什么大公司堅持使用 MOSFET。
　　JFET 的優(yōu)點：
　　在所有晶體管類型中，JFET 是容易生產(chǎn)的。
　　比 MOSFET 的 Rdson 更低。
　　由于電容較低，開關(guān)損耗較低。單個 JFET（即非共源共柵）的測試并未顯示出比 Si Coolmos 更快的開關(guān)速度。
　　由于 Rdson 低于 Si 或 MOSFET，因此損耗更低。
　　適合 1200 V 以上的高電壓。
　　在 250°C 下連續(xù)工作，前提是外殼能夠承受該溫度。
　　損耗不隨溫度而增加。
　　由于熱導(dǎo)率高，盡管芯片較小，但熱阻仍然很低。
　　無寄生元件、無 SBD、無 dv/dt 限制、無反并聯(lián)二極管。
　　缺點：
　　JFET 本質(zhì)上是耗盡型的，即柵極電壓為 0 V 時，它們完全導(dǎo)通。為了關(guān)閉它們，必須向柵極施加超過夾斷電壓的負(fù)電壓。因此，柵極驅(qū)動電壓介于 0 V 和夾斷電壓之間，這不適合標(biāo)準(zhǔn) IC 及其正電源。JFET 不能用作電源中的開關(guān)晶體管，因為這需要之前可用的負(fù)電源。打開。因此，JFET 只能用于共源共柵。
　　無雪崩等級，可能采用共源共柵，見下文。
　　柵極通過 pn 二極管與溝道隔離。如果柵極電壓超過 0.6V，二極管將導(dǎo)通，從而柵極輸入變?yōu)榈妥杩?。對?MOSFET，柵極通過玻璃、SiO2 和高阻抗隔離，任何正電壓或負(fù)電壓低于指定電壓。圖 7.10：SiC 溝槽 JFET 的結(jié)構(gòu)。與任何 JFET 一樣，柵極和溝道以及漏極和溝道之間都有二極管。在 0 V 柵極電壓下，通道已完全導(dǎo)通。如果柵極電壓增加到約0.6V，二極管將導(dǎo)通，柵極輸入變?yōu)榈妥杩埂Ｈ绻O電流增加，漏極電勢將會上升。如果它上升到閾值電壓（例如 6V）以上，溝道就會開始夾斷，從而電流無法進(jìn)一步上升。
　　圖 7.10：SiC 溝槽 JFET 的結(jié)構(gòu)。與任何 JFET 一樣，柵極和溝道以及漏極和溝道之間都有二極管。在 0 V 柵極電壓下，通道已完全導(dǎo)通。如果柵極電壓增加到約0.6V，二極管將導(dǎo)通，柵極輸入變?yōu)榈妥杩?。如果漏極電流增加，漏極電勢將會上升。如果它上升到閾值電壓（例如 6V）以上，溝道就會開始夾斷，從而電流無法進(jìn)一步上升。
　　的開關(guān)是具有 JFET 的 SiC 共源共柵，可從多家公司購買，它們優(yōu)于主要制造商支持的 MOSFET，并且沒有問題。它們不需要接近柵極電壓的高驅(qū)動電壓，也不需要負(fù)柵極電壓。 1200 V 時 < 10 mOhms，650 V 時 < 7 mOhms 是的。由于共源共柵中的下部晶體管是標(biāo)準(zhǔn) Si MOSFET，因此 12 V 驅(qū)動就足夠了。該 Si lv MOSFET 對共源共柵的總 Rdson 貢獻(xiàn) < 1 mOhm
　　關(guān)于雪崩特性，SiC 和 GaN 之間存在顯著差異：制造商 USCI 為其 SiC 共源共柵指定了雪崩額定值。 USCI 利用雙極已知的舊保護(hù)電路，例如在內(nèi)燃機(jī)火花發(fā)生器中。如果超過漏極電壓，JFET 中將發(fā)生正常的非破壞性二極管擊穿。如果在下部 MOSFET 的柵極中插入足夠高的電阻，則該漏電流將在電阻兩端產(chǎn)生電壓，終打開共源共柵，從而抑制過載。漏極電壓幾乎保持恒定.
　　雖然 GaN 晶體管長期以來僅限于 100 至 200 V，但后來出現(xiàn)了 600 V 類型，1200 V 類型也已發(fā)布多年，但并未問世。甚至批 SiC 晶體管的額定電壓為 1200 至 1700 V。它們將單獨取代許多 Si IGBT，因為它們允許更高的工作頻率。高功率汽車已使用 800 V 電源。問題在于半導(dǎo)體行業(yè)是否能夠提供大量碳化硅。 Si IGBT 制造商推出了第七代。 IGBT 的固有優(yōu)勢：其飽和電壓隨電流的變化很小。 FFET 是電阻器，因此損耗隨著電流的平方而增加。 SiC 晶體管即使在 1200 V 下也因其極低的 Rdson 而具有競爭力。Si IGBT 的利潤得益于預(yù)計不會出現(xiàn) Si 晶圓供應(yīng)問題。
　　其他公司在展會上只展示了樣品和一些數(shù)據(jù)，但沒有透露更多信息，也沒有提供樣品或文件。大多數(shù)公司只提供共源共柵，單 JFET 目前只能從 USCI 獲得。作者與塞米南和克里人有著密切的通信往來。 TO-247 樣品在 200 W 離線電源與 Coolmos 中進(jìn)行了測試。在 125 KHz 的工作頻率下，效率僅略有提高。在共源共柵中，改進(jìn)非常明顯，而 SiC 和 Si Coolmos 晶體管的改進(jìn)也是如此。
　　JFET（無論是單個還是共源共柵）的一個重要應(yīng)用是在橋式電路中，因為它們允許電流在兩個方向上流動。
　　與使用 MOSFET 相比，不涉及寄生元件。較低 lv Si MOSFET 的反向二極管速度非?？?。
　　箭頭表示所示的所有電容均取決于電壓 V-1/2。與所有 FET 一樣，它們具有 TC = 0 點，其中導(dǎo)通電阻隨溫度的增加與 - 2.3 mV/度的負(fù)柵極電壓特性相匹配。